節(jié)電設(shè)計中掉電狀態(tài)MCU的復(fù)位喚醒速度

0 前言

在MCU的節(jié)電措施中，除了降低工作頻率與工作電壓以外，剩下的就是如何選擇MCU的節(jié)電模式了。由于節(jié)電的機(jī)理是設(shè)法停掉片內(nèi)一部分電路的工作，因此節(jié)電效果最好的是片內(nèi)電路全停的掉電方式。以MCS51系列的AT89C2051為例，其休閑方式（CPU凍結(jié)，但振蕩器、中斷、定時器與串行口等仍繼續(xù)運(yùn)行）的耗電約為850uA，而掉電方式（片內(nèi)所有電路均停止工作，僅保持I/O端口引腳狀態(tài)和片內(nèi)RAM內(nèi)容不變）的耗電僅為1uA不到。顯然，對于那些正常運(yùn)行中存在等待狀態(tài)的MCU應(yīng)用項(xiàng)目來說，應(yīng)當(dāng)盡可能地選擇這種掉電方式來作節(jié)電設(shè)計。但由于掉電狀態(tài)下MCU片內(nèi)的時鐘和中斷系統(tǒng)均不工作，所以無法以片外中斷方式喚醒片內(nèi)的CPU，而只能以復(fù)位方式予以喚醒。然而實(shí)際應(yīng)用需求往往對MCU的喚醒速度有所要求，而在一般概念中MCU的復(fù)位速度是很慢的（如上電復(fù)位），且相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊和應(yīng)用資料均未對此給出明確清晰的說明，因此MCU掉電時的復(fù)位喚醒速度便成了能否采用這種節(jié)電方式的關(guān)鍵所在。為此，有必要從理論和實(shí)踐兩方面進(jìn)行探討并尋求相關(guān)答案。

1 MCU的復(fù)位方式及其特點(diǎn)

一般說來，MCU的復(fù)位操作通?？煞譃樯想姀?fù)位、手動復(fù)位、看門狗復(fù)位、失電復(fù)位、以及節(jié)電方式下的掉電復(fù)位。根據(jù)這些復(fù)位操作發(fā)生時的系統(tǒng)狀態(tài)又可將它們歸為三類：上電復(fù)位、運(yùn)行復(fù)位、掉電復(fù)位。下面分別對這三類復(fù)位操作及其特點(diǎn)進(jìn)行具體分析。

1．1 上電復(fù)位

上電復(fù)位幾乎是所有MCU應(yīng)用系統(tǒng)都在使用的啟動方式，它是指系統(tǒng)加電開始運(yùn)行時的自動復(fù)位，一般是在電源上升穩(wěn)定后利用模擬或數(shù)字的延時環(huán)節(jié)給MCU提供一定時間進(jìn)行片內(nèi)復(fù)位操作。常見的復(fù)位電路有片外RC延時電路[1]和片內(nèi)復(fù)位定時器等[5]。

對于該上電復(fù)位操作所需的時間，一般的MCU數(shù)據(jù)手冊都給出了相應(yīng)的說明。以Intel公司的MCS51 PDF文檔為例[1] ：①振蕩器起振到穩(wěn)定的時間大約為1ms～10ms，(即10MHz的晶振為1ms，1MHZ的晶振為10ms)；②為確?？煽繌?fù)位，RST引腳上的高電平必須保持到振蕩器起振再加兩個機(jī)器周期；③上電時VCC必須在10ms左右的時間內(nèi)完成其上升。

以上三點(diǎn)說明給人的印象是上電復(fù)位所需的時間是很長的，而且很容易造成這樣的錯覺：上電復(fù)位所需時間=電源上升時間+振蕩器起振時間+片內(nèi)初態(tài)建立時間。這也影響了某些文獻(xiàn)關(guān)于上電復(fù)位時間的相關(guān)論述[3][4]。也正因?yàn)槿绱耍趯?shí)際設(shè)計中為了確?？煽繌?fù)位，設(shè)計者通常都把片外復(fù)位電路的RC數(shù)值取得較大（文獻(xiàn)[1]的推薦值是8.2K與10uF）。

然而事實(shí)并非如此。圖一給出了AT89C51的一個測試實(shí)例：當(dāng)電源電壓上升到2V左右時振蕩器開始起振（此時距電源上升起點(diǎn)約1ms），爾后其振蕩幅度基本上跟隨電源電壓逐步攀升，直至2.3ms時兩者均達(dá)最大（VCC=5V，Vx2≈5Vpp）；與此同時，復(fù)位時片內(nèi)初態(tài)的設(shè)置操作將I/O引腳（圖一中P1.4）電平抬高發(fā)生在VCC上升到50％時，此后若將RST引腳的高電平拉低，MCU將立即開始執(zhí)行程序，而不必等到振蕩器振幅達(dá)到最大。（以上兩個時間參數(shù)系指振蕩器的片外定時元件為4MHz陶瓷諧振器）。

圖一AT89C51上電復(fù)位時的起振時序

由此可以得出這樣的結(jié)論：上電時的復(fù)位操作（初態(tài)設(shè)置+振蕩器起振）在電源電壓上升到其50％時便可完成，而不是在片內(nèi)振蕩器振幅穩(wěn)定的兩個機(jī)器周期之后（即片內(nèi)初態(tài)的建立并不依賴于片內(nèi)振蕩器的狀態(tài)）。此后RST引腳的電平是否變低決定了MCU何時開始取指執(zhí)行。但為避免在電源電壓不足時倉促執(zhí)行程序可能對片外帶來的意外結(jié)果，復(fù)位信號還是應(yīng)當(dāng)持續(xù)到電源電壓上升結(jié)束時方可撤除。從這一點(diǎn)出發(fā)可以認(rèn)為，上電復(fù)位所需時間完全取決于電源電壓的上升時間。由于此處電源電壓上升的實(shí)測時間為2.3ms，因而可以確定文獻(xiàn)[1]的推薦值選得過大（8.2k×10uF=82ms），會使上電開機(jī)時間拖得太長。

1．2 運(yùn)行復(fù)位

運(yùn)行復(fù)位是指系統(tǒng)異常時的手動復(fù)位、程序跑飛時的看門狗復(fù)位、電源電壓下降時的失電復(fù)位等。它們的共同點(diǎn)是片內(nèi)振蕩器及其它電路都在正常運(yùn)行，CPU正在執(zhí)行程序。

由文獻(xiàn)[1]中相關(guān)的運(yùn)行復(fù)位時序圖可知，此時提供給MCU的RST引腳上的復(fù)位信號必須不小于兩個機(jī)器周期。這是因?yàn)镸CU每個機(jī)器周期只對片外的 RST引腳采樣一次。為了避免RST引腳上的干擾信號導(dǎo)致復(fù)位的誤動作，必須連續(xù)采樣到兩次有效的片外RST復(fù)位信號，MCU才會啟動片內(nèi)的復(fù)位流程，使片內(nèi)的RESET信號有效（直到此時片外的RST信號方可撤去），并以此片內(nèi)RESET信號去設(shè)置片內(nèi)各部件的初始狀態(tài)以及控制隨后的取指執(zhí)行。考慮到送達(dá)片外RST引腳上的復(fù)位信號有可能正好發(fā)生在一次片內(nèi)采樣之后，所以為實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時的可靠復(fù)位RST引腳上的復(fù)位信號至少得維持2個機(jī)器周期。

1．3 掉電復(fù)位

掉電復(fù)位是指MCU處于節(jié)電的掉電狀態(tài)下以復(fù)位方式將其喚醒重新執(zhí)行指令的操作。掉電后MCU片內(nèi)的所有電路均已停止工作，但其片內(nèi)RAM內(nèi)容和各端口引腳的狀態(tài)保持不變，而且MCU的供電電壓也大都保持不變（也有少數(shù)應(yīng)用中將掉電狀態(tài)下的MCU供電電壓降為2V以求最大限度的節(jié)電）。這種情況下的復(fù)位操作與上電復(fù)位所實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是相同的：振蕩器起振并穩(wěn)定、片內(nèi)相關(guān)部件建立初態(tài)。但與上電復(fù)位不同的是：MCU的工作電壓仍然存在。